地面钻井抽采瓦斯技术的发展方向
2006年12月 矿业安全与环保 第33卷第6期
地面钻井抽采瓦斯技术的发展方向
周德昶, 焦先军
(淮南矿业集团瓦斯管理研究院, 安徽淮南232001)
摘 要:地面钻井抽采瓦斯是瓦斯治理和煤层气开发的一种有效手段。淮南矿区在松软低透气性
的煤层赋存条件下, 通过瓦斯治理与采矿技术相结合, 经多年实践, 探索出了地面钻井抽采瓦斯技术的发展方向, 其有关成熟做法对类似地质条件的矿区具有借鉴意义。
关键词:地面钻井; 卸压抽采; 钻井结构
+
中图分类号:TD712. 67 文献标识码:A 文章编号:1008-4495() --03
1 国内外现状及存在的问题
自20世纪70煤层气资源获得成功; 澳大利亚目前广泛应用地面采空区垂直钻孔抽采技术; 德国1992年开始应用地面钻井技术开发鲁尔煤田的煤层气; 英国煤层渗透
[1]
率低, 目前正在研究低渗透率瓦斯的开发技术。
我国地面钻井抽采瓦斯的开发仍处于勘探试验阶段。白沙、抚顺、焦作、阳泉等矿区曾在20世纪70年代打了40多个地面钻孔, 并实施钻孔水力压裂等
[2]
措施抽放瓦斯, 但产气效果不理想。晋城矿区煤层裂隙发育、渗透性好、可抽采性好, 从1995年开始进行地面煤层气开发, 通过地面钻孔抽采地下煤层气, 目前已形成规模, 并实现了商业化产销用体系。地面钻井抽采瓦斯技术, 虽在国内外已作过研究和试验, 但主要是针对煤层赋存稳定、渗透性好的煤层, 少数低透气性煤层矿区也曾配合水力压裂等措施进行过地面钻井抽采瓦斯, 但产气效果不理想。目前国内外还没有在松软低透煤层成功进行地面钻井抽采瓦斯的实践。淮南矿区在煤层复杂特困条件下对地面钻井抽采瓦斯技术进行了探索与实践, 取得了一些成果, 为地面钻井抽采瓦斯技术的发展探索出了方向。
淮南矿区现有9对生产矿井, 全为突出矿井, 矿区煤层具有地质构造复杂、煤层松软、透气性低、瓦斯含量大、瓦斯压力高、突出危险性大等特点, 历史上是全行业瓦斯事故的重灾区。由于瓦斯治理手段落后, 1997年以前, 矿区瓦斯抽采量一直徘徊在
3
500万m Πa 上下。1997年以后, 随着瓦斯抽采方法的变革与创新, 瓦斯抽采量增幅较大, 到2005年为
3
1. 5亿m , 矿井瓦斯抽采率达43%, 初步实现了煤与瓦斯共采。2. 2 地面钻井抽采情况
20世纪90年代, 两淮矿区在地面勘探和开采煤层气方面做了大量工作, 先后共施工了测试井14个, 压裂试生产井8个, 但产气效果均不理想, 日产气量均达不到商业开发标准。2002年以来, 淮南矿区不断创新抽采理念, 积极试验地面钻井抽采采动区瓦斯技术、地面钻井抽采采空区瓦斯技术、地面钻井一井两用抽采采动区、采空区瓦斯技术, 在松软低透煤层群条件下进行了地面钻井瓦斯抽采的探索和实践, 到目前为止共施工地面钻井12个, 其中7个成功,4个失败,1个在考察中(见表1) 。2. 3 成功做法
2. 3. 1 配合保护层开采, 地面钻井抽采采动区瓦斯, 扩大保护范围
淮南矿区13-1主采煤层具有很强的突出危险性, 而其透气性系数低, 预抽困难, 因而在开采前先开采保护层11-2煤层, 作为区域性防突措施。回采前预先由地面向上覆各卸压煤层打穿层地面钻井, 通过抽采管道对各卸压煤层瓦斯实施全层同时
・77・
[3]
收稿日期:2006-07-06;2006-08-03修回
) , 男, 安徽寿县人, 工程硕士, 作者简介:周德昶(1966—
高级工程师, 淮南矿业集团瓦斯管理研究院院长, 主要从事通风与安全管理工作。
2006年12月 矿业安全与环保 第33卷第6期
表1 淮南矿区地面钻井抽采情况统计表
地 点
潘一2352(1) 面潘一2662(1) 面1#井潘一2662(1) 面2#井潘一2662(1) 面3#井谢一5111C15面谢桥1242(1) 面1#井谢桥1242(1) 面2#孔谢桥1242(1) 面3#井谢桥1242(1) 面4#井谢桥1242(1) 面5#井张北11418面1#井张北11418面2#井
孔深Πm
[***********][***********]
钻孔直径Πmm
177. 8～139. 7177. 8～139. 7177. 8～139. 7177. 8～139. 7
177. 8177. 8～139. 7177. 8～139. 7177. 8～139. 7177. 8～139. 7177. 8～139. 7177. 8～139. 7177. 8～139. 7
抽采时间
2002-08～2005-042005-03～至今2005-07～至今
抽采浓度Π%
50～9540～9060～90
抽采量Π万m 3
29221791
效果成功成功成功
备 注采动区、采空区抽采
采动区抽采采动区抽采在考察
2005-03～2005-112004-11～2005-012005-01～2005-022005-04～2005-052005-07～2005-092005-10～2005-12
2005-072005-12
50～8050～9030～9510～3040～8540～8060～8060～87
9671163. 35854. 11015. 3
成功成功失败失败成功成功失败采空区抽采采动区抽采采动区抽采采动区抽采采动区抽采采动区抽采采空区抽采采空区抽采
抽采或煤层气开采。谢桥矿在1242(1) 下保护层开采期间, 在做好井下瓦斯抽采的同时, 1
, -1) , 该孔共
33
71, 1. 8万m , 有效抽采, 180m , 抽出的高浓度瓦斯部分用于发电。
图1 谢桥矿1242(1) 工作面钻井平面布置图与结构示意图
2. 3. 2 创新高瓦斯工作面瓦斯治理方法, 实施地面
钻井抽采采空区瓦斯技术
谢一矿5111C15综采工作面, 是突出煤层C13煤的上保护层, 回采时绝对瓦斯涌出量近50m Πmin 。为解决回采时的瓦斯问题, 在工作面地面对应位置施工1个钻井抽采采空区瓦斯, 钻孔终孔距C15煤
3
顶板6m , 平面上在C15工作面的中部(见图2) 。工
3
作面在配风量为1210
m Πmin 时, 回风瓦斯浓度为
3
0. 56%左右。该孔共抽采瓦斯96万m , 平均日产气量6000m , 同时用抽出的瓦斯发电,1台500kW 的移动发电机组每天发电9000kW ・h , 累计发电180万kW ・h 。
3
图2 谢一矿5111C15工作面钻井平面布置图与结构示意图
2. 3. 3 增大地面钻井服务周期, 实施一井两用抽采
采动区、采空区瓦斯技术・78・
潘一矿2352(1) 为下保护层面, 保护2322(3) 工作面。2352(1) 面开采期间, 在做好井下瓦斯抽放的同时,
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应用了地面钻井抽采瓦斯技术, 钻井布置见图3
。
图3 潘一矿2352(1) 工作面钻井平面布置图与结构示意图
根据开采和上覆岩移状态, 试验钻井的瓦斯抽采分3个阶段进行了考察。
第1阶段:保护层回采期间采动区抽采。该阶
33
段共抽出纯瓦斯97万m , 平均日产气量1. 49万m ,
3
抽放流量10. 38m Πmin , 瓦斯浓度85%。
第2阶段:共抽出纯瓦斯71m 放流量4. 1m 95左右。
第3阶段:。该阶
33
段共抽出纯瓦斯16万m , 平均日产气量5000m ,
3
抽放流量3. 5m Πmin , 瓦斯浓度稳定在50%～80%。2. 3. 4 科学实施钻井工艺, 优化钻井结构
3
钻井在基岩面附近发生错断; 而地下水随回采不断下泄, 使新地层的流砂逐渐堵塞在钻井中, 造成钻井
不透气。、, , , ③, , 在一定程度上。
2 改进措施
1) 在钻井布置方面, 根据抽采目的来设计钻井
位置:将抽采采动区卸压瓦斯的钻井布置在工作面中部, 而抽采采空区瓦斯的钻井则尽量靠近上风巷位置。
2) 在钻井结构方面, 为防止钻井套管在动态下沉过程中破断, 导致流砂和水沿钻井涌入井下, 基岩面以上新地层下双层石油套管, 并进入基岩坚硬岩层一定深度, 钻井环状间隙注泥浆或沥青固井; 在卸压煤层段下单层筛管, 不固井, 产气筛管与上部固井套管设计一段重叠段, 筛管长度根据煤层条件设计, 筛管为圆孔, 并增大筛管与井壁的间隙。
3) 在防堵塞方面, 将钻井筛管下口至煤层顶板留有一段岩柱, 在岩柱段设计施工几米小直径的裸孔口袋与冒落带采空区直接沟通, 以利于管内水和煤泥流入采空区, 防止下口堵塞。
4) 在钻井孔口设计方面, 为预防淹井, 将钻井口距地表高度预先提高; 在抽采瓦斯或煤层气开采过程中, 为预防钻井随地层大幅度动态下沉而拉断管道, 在钻井口与抽采管道联接处, 设计安装无级升降装置, 以此弥补动态高度变化, 确保正常抽采。3. 3 技术发展途径
地面钻井抽采瓦斯是一项实用性强、技术复杂的工程, 在我国目前尚处于试验阶段, 为使该项技术早日广泛推广应用, 必须解决以下几个方面问题。
1) 在地面钻井抽采理论上需有所突破:研究符合矿井实际地质、开采条件的煤与瓦斯共采理论指导实践。
(下转第88页)
・79・
淮南潘谢矿区地表第四纪新地层厚度普遍在300～400m , 且有流砂层, 为提高钻进安全, 在基岩面以上新地层下双层石油套管, 外层套管进入基岩坚硬岩层不小于40m , 套管间隙注满水泥浆, 施工时在完成上部套管段固井后再进行下部钻进。在钻井结构上, 根据抽采需要采用一钻井一结构。谢一矿5111C15工作面地面钻井主要抽采采空区瓦斯, 其工作管由Φ139. 7mm 增加为Φ177. 8mm ; 谢桥矿1242(1) 工作面地面钻井主要抽采采动区瓦斯, 东段的4,5钻井, 由于上部14,16-1,17-1煤层不发育, 钻井的工作管设计较短, 贯穿11-2煤层上部的13-1煤层即止。
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3 地面钻井抽采瓦斯技术主要障碍及解决
途径
3. 1 主要障碍
地面钻井实施过程中遇到的最大难题是钻井的稳定性难以保证。由于在抽采过程中钻井发生错
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断, 张北矿11418工作面1,2井和谢桥矿1242(1) 工作面2,3井抽采范围最大不到40m , 抽采量不
3
足16万m 。分析其破坏原因:①受地质、水文条件影响, 钻井发生破坏的矿井第四纪新地层普遍较厚, 在400m 左右, 且含有多层含水流砂层, 涌水量大,
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2006年12月 矿业安全与环保 第33卷第6期
5起特大瓦斯爆炸事故的发生, 与瓦斯积聚有
关, 与现场管理有关, 与通风装备有关, 与领导责任有关, 与现场工作人员操作不当也有关。水城矿务局木冲沟煤矿现场人员违章拆卸矿灯引起火花, 造成瓦斯爆炸, 煤尘参与爆炸。假如现场人员治理瓦斯意识强, 能够按章作业, 是能够避免事故的发生的。淮北矿业集团公司芦岭煤矿工人维修电器开关时带电作业产生火花引起瓦斯爆炸, 假如现场作业人员平时养成按章作业的良好习惯, 不带电作业, 不是同样能避免事故发生吗?
教训之六, 加强安全教育, 吸取同类事故教训。俗话说, 智者用教训预防事故, 愚者用鲜血换来教训。瓦斯爆炸事故为什么接连发生, 瓦斯爆炸事故为什么难以预防, 其原因之一就是没有认真吸取教训。芦岭煤矿2002事故, , , 的发生, 。这值得引起我们的深思和警觉。发生事故是可怕的, 但更可怕的是事故发生后, 没有吸取教训, 事故再次发生。在吸取教训中, 不仅要吸取自己的教训, 而且还要吸取别人的教训。吸取自己的教训, 就是要达到“交了学费, 增长知识”的目的; 吸取别人的教训, 就
是要达到“别人吃堑、自己长智, 别人患病、自己强
身”的目的。
教训之七, 加强小煤矿开采的审批工作, 开矿人应具备一定的安全知识和行业经验。
在以上5起事故中, 有2起是私营小煤矿事故。矿主受教育程度都比较低, 专业水平和业务水平都较低。这在国外是不可想象的。在美国, 申请开矿者必须上过4年大学, 有5年管理经验(井下3年) , 10人推荐, 经考试合格, 才能上岗。如果能严把开矿的“准入关”, 在此不敢说事故就一定能避免, 但至少能及时发现隐患, 以便及时采取相应措施。
参考文献:
[1. 9. (2) 92人遇难[J].劳
,2001, (9) :23
[3]赵永金. 一方有难 八方支援———在城子河煤矿“6・20”
事故遇难职工家属捐款仪式上的讲话[J].当代矿工,
2002, (9) :23～26
[4]宋承文. 孟南庄煤矿瓦斯煤尘爆炸事故原因浅析[J].
山西建筑,2003, (11) :79～80
[5]周家快. 芦岭煤矿近年来瓦斯事故浅析[J].煤炭技术,
2005,24(6) :54～55
(责任编辑:熊云威)
(上接第79页)
2) 地面钻井的抽采半径有待考察:认真考察地
面钻井的抽采半径, 以便合理确定布孔方案。
3) 地面钻井的稳定性有待提高:进行采矿覆岩移动规律分析, 优化钻井布置, 改进钻井结构, 以提高钻井的稳定性。
4) 政府应给予政策支持, 积极鼓励矿井实施地面钻井抽采技术并进行综合利用, 实现煤与瓦斯的共采。
术、地面钻井抽采采空区瓦斯技术、地面钻井一井两用抽采采动区、采空区瓦斯技术, 通过多年的实践, 基本探索出了地面钻井抽采瓦斯技术的发展方向, 其有关成熟做法值得类似地质条件矿区借鉴。
参考文献:
[1]国家安全生产监督管理总局交流合作中心. 第一届中国
国际煤矿瓦斯防治与利用大会论文集[C].北京:煤炭工
4 结语
地面钻井抽采瓦斯是一项煤与瓦斯共采的绿色开采技术, 发展前景十分广阔。淮南矿区在松软低透气性的煤层赋存条件下, 通过瓦斯治理与采矿技术相结合, 利用采动作用所产生的“卸压增透”和“卸压增流”效应, 积极试验地面钻井抽采采动区瓦斯技
业出版社,2005
[2]袁亮. 松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[M].北京:
煤炭工业出版社,2004
[3]孙茂远, 黄盛初, 等. 煤层气开发利用手册[M].北京:煤
炭工业出版社,1998
(责任编辑:卫 蓉)
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